dazu... - Kempfert + Partner Geotechnik

Zyklische und statische horizontale Pfahlprobebelastungen für
Lärmschutzwände der Neubaustrecke Nürnberg – Ingolstadt
Dr.-Ing. M. Raithel, Dipl.-Ing. E. Leusink
Kempfert + Partner Geotechnik, Würzburg, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. H.-G. Kempfert
Institut für Geotechnik und Geohydraulik, Universität Kassel, Deutschland
ABSTRACT
Die Lärmschutzwände im Los Nord der NBS Nürnberg-Ingolstadt werden auf Bohrpfählen mit einem
Durchmesser von D = 60 cm gegründet. Die Schutzwände und somit die Gründungspfähle werden durch
Wind und bei Zugvorbeifahrten durch eine Druck-Sog-Welle horizontal belastet.
Im Beitrag werden nach der Darstellung der Belastungsrandbedingungen die Konzeption und Durchführung
von zyklischen und statischen horizontalen Pfahlprobebelastungen erläutert und wesentliche Messergebnisse
dargestellt. Durch einen Vergleich der aufgetretenen Verformungen bei verschiedenen Ausnutzungsgraden
(Verhältnis der jeweils aufgebrachten zyklischen Belastung zur rechnerischen Bruchlast) werden die auf
Grundlage der Pfahlprobebelastungsergebnisse extrapolierten Verformungen bei unterschiedlichen Sicherheitsniveaus
erläutert.
Keywords: Hochgeschwindigkeitsverkehr, Schutzwände, zyklische Belastungen
1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG
Lärm- und Windschutzwände an Verkehrswegen
werden in der Regel auf kurzen, in den Baugrund
eingespannten Pfählen gegründet, die aufgrund
der geringen Schlankheit (Verhältnis der Einbindelänge
zum Pfahldurchmesser) bei Belastung nur
vernachlässigbare Eigenverformungen aufweisen
und somit als nahezu „starr“ bezeichnet werden
können, vgl. Kempfert (1985) und (1987).
Daneben hat sich das Bemessungsverfahren nach
Vogt etabliert, welches auch in FGSV (1997) enthalten
ist.
Neben der näherungsweise gleichmäßig über
die Wandfläche wirkenden und vorwiegend ruhend
anzusetzenden Windbelastung ist bei
Schutzwänden an schienengebundenen Hochgeschwindigkeitsstrecken
als maßgebende Belastung
die Druck-/Sogwelle bei Zugvorbeifahrt zu
berücksichtigen. Hinsichtlich der für die Bemessung
maßgebenden Belastung wird im zur Zeit
gültigen Regelwerk der Deutschen Bahn AG (DS
804 bzw. Richtlinie 800.2001 und DIN Fachbericht
101) eine statische Ersatzlast vorgegeben.
Aufgrund von aufgetretenen Schadensfällen
wurden in jüngerer Zeit Messungen an ausgeführ-
ten Schutzwänden durchgeführt, auf deren Grundlage
gefolgert werden musste, dass die o.g. Angaben
für die hohen Zuggeschwindigkeiten der
Neubaustrecken (ve = 300 km/h) nicht für eine realitätsnahe
und sichere Bemessung der Schutzwände
ausreichen.
Daher wurden von Seiten der DB AG neue
Bemessungsgrundlagen für die Schutzwände der
NBS Nürnberg - Ingolstadt vorgegeben, verbunden
mit der Anforderung, auch eine sichere Gründung
unter Berücksichtigung der auftretenden
zyklisch/dynamischen Druck-/Sogbelastung zu
erstellen.
Da kein allgemein anerkanntes Bemessungsverfahren
bzw. Sicherheitskonzept zur rechnerischen
Dimensionierung der derartig beanspruchten
Gründungspfähle vorliegt, wurde für die Bemessung
der Schutzwände der NBS Nürnberg-
Ingolstadt ein Nachweisverfahren konzipiert, welches
zunächst eine Bemessung mit den vorliegenden
Berechnungsverfahren unter Zugrundelegung
der statischen Grenzlasten und eines „auf der sicheren
Seite liegenden“ globalen Sicherheitsbeiwertes
von η = 4 auf die zu erwartenden zyklisch
/dynamischen Belastungen sowie insbesondere eine
Überprüfung der gewählten Ansätze durch zyklische,
horizontale Pfahlprobebelastungen vorsah.

2 ZYKLISCHE PFAHLPROBEBELASTUNGEN
2.1 Allgemeines
Insgesamt wurden an 5 Probepfählen mit einem
Durchmesser von D = 65 cm und einer Einbindetiefe
zwischen ca. 3,0 und ca. 6,0 m unter GOK
Probebelastungen in Dammlage (Standort D) und
in Geländegleichlage (Standort G) durchgeführt.
Die horizontalen Druck- und Zuglasten wurden
mit einer hydraulischen Druck-/Zug-Presse kraftgesteuert
in die Probepfähle eingeleitet. Als Belastungswiderlager
für die Pressenlasten wurde
ein Container mit einem Gesamtgewicht von ca.
85 t verwendet. Der lichte Abstand zwischen den
Probepfählen und dem Container betrug insgesamt
mindestens ca. 4 m. Ein Überblick über die
Versuchseinrichtung ist in Bild 1 und die Lasteinleitung
in den Pfahl ist in Bild 2 dargestellt.
Bild 1: Überblick über die Pfahlprobebelastung
Bild 2: Stahlkonstruktion und Lasteinleitung in den Pfahl
2.2 Belastung
Zunächst wurden für die folgenden möglichen
Wandsysteme und für alle auftretenden Wandhöhen
(h = 1,5, 2,5 und 3,0 m) dynamische Berechnungen
der aufgehenden Konstruktion vorgenommen
um so die in situ zu erwartenden
Belastungen zu definieren.
Im Hinblick auf die Beeinflussung des Trag-
und Verformungsverhaltens der Gründungspfähle
unter wiederholten horizontalen zyklischen Lasten
wurden zunächst Wechselbelastungen zur Simulation
der Druck-Sog-Wellen infolge Zugverkehr
aufgebracht, wobei die Amplitude der
Druck- und Zuglast in 3 Stufen (Mehrstufentechnik)
auf ca. 150 - 200% der maximal zu erwartenden
Lastamplitude infolge Zugverkehr gesteigert
wurde. Die Lastwechselanzahl wurde je Belastungssequenz
zwischen ca. N = 1.000 bis
N = 10.000 Lastwechseln bei einer Frequenz von
i.d.R. ca. 1 Hz gewählt. Nach Durchführung der
Wechselbelastungen wurde anschließend an allen
Pfählen eine statische horizontale Probebelastung
zur Ermittlung der statischen horizontalen Bruchlast
durchgeführt.
Tabelle 1. Übersicht über die Probepfähle und die durchgeführten
Belastungssequenzen
Pfahl
Einbindetiefe
[m unter
GOK]
Lasteinleitung
[m über
GOK]
Belastungssequenzen
ΔH
1. Stufe
[kN]
ΔH
2. Stufe
[kN]
ΔH
3. Stufe
[kN]
D1 ca. 4,0 ca. 1,5 +/- 10 +/- 20 +/- 40
D2 ca. 5,0 ca. 2,5 +/- 20 +/- 40 +/- 60
D3 ca. 6,0 ca. 2,5 +/- 20 +/- 40 +/- 60
G1 ca. 3,0 ca. 1,8 +/- 10 +/- 20 +/- 40
G2 ca. 4,0 ca. 2,5 +/- 20 +/- 40 +/- 60
2.3 Baugrund
Im Bereich des gewählten Standorts D (Damm)
binden die Pfähle in den geschütteten Dammkörper
ein. Nach den Kornverteilungen und der visuellen
Ansprache handelt es sich beim Dammschüttmaterial
um einen schwach kiesigen,
schluffigen/tonigen bis stark schluffigen/tonigen
Sand. Nach den Ergebnissen der schweren
Rammsondierungen ist der Sand bzw. das Dammschüttmaterial
i.d.R. dicht bis sehr dicht gelagert.
Hinsichtlich der Scherparameter konnte unter
Wertung aller vorliegenden Versuchsergebnisse
von in situ tatsächlich vorliegenden Scherparame-

tern von ϕ’ = 42,5° und c’ = 5 kN/m 2 ausgegangen
werden.
Am Standort G (Geländegleichlage) binden
beide Probepfähle vollständig in quartäre bindige
Böden ein. Dabei handelt es sich vorwiegend um
leichtplastisch und mittelplastische quartäre
Schluffe und Tone mit wechselnden Beimengungen
von Feinsand und vereinzelt auch Kies. Lokal
sind dünne schluffige Feinsandlagen eingelagert.
Nach den Laborversuchen und der Ansprache des
Bohrgutes weisen die Schluffe und Tone i.d.R.
eine weiche bis steife Konsistenz auf, im Tiefenbereich
der lokal eingelagerten organischen Beimengungen
auch eine breiige bis weiche Konsistenz.
Im Hinblick auf die Scherparameter wurde
unter Wertung aller vorliegenden Versuchsergebnisse
von ϕ’ = 25° und c’ = 5 kN/m 2 ausgegangen.
Das Grundwasser liegt in den quartären bindigen
Böden (qt) vorwiegend in Form eines
geringen bis sehr geringen Schichtenwasserzustroms
in Tiefen von rd. 3 bis 5 m unter GOK vor.
2.4 Ergebnisse bei zyklischer Belastung
Bei allen Pfählen und in allen Laststufen war
i.d.R. eine gleichmäßige Steigerung der Pfahlkopfverschiebung
in Druckrichtung mit zunehmender
Versuchsdauer bzw. Lastwechselanzahl
zu ersehen. Eine schlagartige starke Zunahme der
Pfahlkopfverschiebungen wurde nicht beobachtet.
Allerdings konnten deutliche zyklische Bewegungswellen
in den Böschungen und Hohllagen
bzw. Rissbildungen im Bereich der Einspannstelle
verbunden mit einem Materialtransport augenscheinlich
festgestellt werden, vgl. Bild 3.
Bild 3: Rissbildungen nach zyklischer Belastung
Im Rahmen einer umfassenden Auswertung der
Messergebnisse wurden zunächst die gemessenen
Verschiebungen sowie Verdrehungen in Druck-
und Zugrichtung sowie die Gesamtauslenkungen
der Pfahlköpfe (Summe der Verschiebungen in
Druck- und Zugrichtung) ausgewertet. In Bild 4
ist exemplarisch die Auswertung am Beispiel des
Probepfahles D2 dargestellt.
Horizontallast [kN]
Verschiebung [mm]
80
40
0
-40
-80
8
4
0
-4
ΔH=+/-20 kN
f = 1,0 Hz
ΔH=+/- 40 kN
f = 1,0 Hz
Böschungsrichtung
Richtung NBS-Achse
ΔH=+/- 60 kN
f = 0,9 Hz
0 50 100 150 200 250
Zeit [min]
Bild 4: Gemessene Pfahlkopfverschiebung bei zykl. Belastung,
exemplarisch für Pfahl D2
Tabelle 2 enthält die gemessenen Pfahlkopfverformungen
nach 1000 Lastwechseln.
Tabelle 2. Gemessene Verschiebung nach 1000 Lastwechseln
Probepfahl
D1
ΔH = +/-
10 kN
0,43
-0,08
D2 -
D3 -
G1
0,24
-0,19
G2 -
Pfahlkopfverschiebung in
Druckrichtung [mm]/
Zugrichtung [mm]
ΔH = +/-
20 kN
0,86
-0,44
0,86
-0,84
0,72
-0,68
0,65
-0,53
0,74
-0,48
ΔH = +/-
40 kN
1,84
-1,58
2,17
-2,08
1,80
-1,40
3,76
-2,62
2,41
-1,80
ΔH = +/-
60 kN
-
4,04
-2,08
2,60
-1,68
-
5,81
-3,40
Die Auswertungen zeigen grundsätzlich, dass die
Pfahlkopfverschiebungen am Standort D in Böschungs-
bzw. Druckrichtung, wie erwartet, i.d.R.
größer als in Richtung der NBS-Achse bzw. Zugrichtung
sind.
Bei halblogarithmischer Auftragung der Pfahlkopfverschiebungen
inkl. der Gesamtauslenkung
und Pfahlkopfverdrehungen ergibt sich i.d.R. näherungsweise
eine Gerade, die eine Extrapolation der
Messwerte für höhere Lastwechselanzahlen ermöglicht.
Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Extrapolation
ist exemplarisch in Bild 5 für den Probepfahl
D1 dargestellt.

Pfahlkopfverschiebung u [mm]
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
1x10 0
1x10 1
1x10 2
Lastwechsel n [-]
1x10 3
1x10 4
ΔH = +/-10 kN
ΔH = +/-20 kN
ΔH = +/-40 kN
1x10 5
1x10 6
1x10 7
Bild 5: Extrapolierte Pfahlkopfverschiebung bei zykl. Belastung,
exemplarisch für Pfahl D1
Es ist allerdings festzustellen, dass bei mehreren
Belastungssequenzen die Messwerte nicht eindeutig
extrapoliert werden konnten, da die erforderliche
Konstanz der Lastwechselamplitude oder der
Pfahlkopfverschiebungen zum Schluss der Laststufe
nicht gegeben war. Grundsätzlich wurde
versucht eine Extrapolation der Verformungen auf
10.000.000 Lastwechsel vorzunehmen, vgl. Tabelle
3.
Tabelle 3: Extrapolierte Verschiebung und Verdrehungen nach
10 Mio. Lastwechseln (in Druckrichtung)
Probepfahl
D1
Extrapolierte Pfahlkopfverschiebung und
Extrapolierte Pfahlkopfverdrehung
+/-10 kN +/-20 kN +/-40 kN +/-60 kN
0,7 mm /
0,02°
D2 -
D3 -
G1
1)
G2 -
1,4 mm /
0,045°
0,9 mm /
1)
0,9 mm /
0,055°
0,8 mm /
1)
1,2 mm /
0,09°
1) Extrapolation nicht möglich
2,6 mm /
0,15°
3,4 mm /
0,093°
2,3 mm /
0,115°
9,1 mm /
0,228°
4,8 mm /
0,18°
-
9,4 /
0,24°
1)
1)
7,9 mm /
1)
Es ist zu erkennen, dass bei weiterer Steigerung
der Wechselbelastung auf ca. 150 bzw. 200% von
ΔHZugverkehr (auf +/-40 kN bzw. auf +/-60 kN) ge-
nerell eine überproportionale Verschiebungszunahme
auftrat.
Bei den höheren Wechselbelastungen wurden
im Vergleich zum standort D am Standort G erheblich
größere Pfahlkopfverschiebungen bei
gleicher Lastwechselanzahl festgestellt, was mit
der starken Annäherung an den statischen Grenzzustand
bzw. Auslastung der Tragfähigkeit am
Standort G begründet werden kann. Des Weiteren
kann somit bestätigt werden, dass bei geringeren
Scherfestigkeiten im Untergrund deutlich größere
Verformungen bei ansonsten gleichen Randbedingungen
hervorgerufen werden.
2.5 Ergebnisse bei statischer Belastung
Im Anschluss an die zyklischen Belastungen wurde
das Lastniveau in statischen Laststufen bis zum
Erreichen der horizontalen Bruchlast bzw. bis zur
maximalen Pressenkraft erhöht. Bild 6 enthält exemplarisch
die gemessene Verdrehung und die
Definition der Grenzlast für den Pfahl G1.
Pfahlkopfverdrehung ψ [°]
Horizontallast [kN]
0 25 50 75 100 125 150 175 200
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Ψ Grenz = 1°
Ψ Grenz = 2°
Nur Pfahlkopfverdrehungen am Ende
jeder Laststufe dargestellt
Bild 6: Auswertung der statischen Pfahlprobebelastung
und Definition der Grenzlast, exemplarisch für
Pfahl G1
Im Hinblick auf die Festlegung der horizontalen
Grenzlast ist zu beachten, dass diese nicht eindeutig
definiert ist. In Kempfert (1985) wird die (fiktive)
Grenzlast für eine Belastung in einer Richtung
bei einer Pfahlkopfverdrehung von ψ = 2°
(ca. tan ψ = 0,035) festgelegt.
Da im vorliegenden Fall Wechselbelastungen
auftreten, wurde näherungsweise auch eine
Grenzlast bei einer Pfahlkopfverdrehung von ψ =
1° (ca. tan ψ = 0,0175) dargestellt.

In Bild 7 sind zudem die theoretischen nach Vogt
(1988) ermittelten Grenzlasten dargestellt, die
sich unter Ansatz der in situ zu folgernden Scherparameter
ergeben (vgl. Abschnitt 2.3).
Bild 7: Zusammenstellung der horizontalen statischen
Grenzlasten der Probepfähle
Es zeigt sich, dass die rechnerisch unter Annahme
von wahrscheinlich in situ vorliegenden Scherparametern
ermittelten Grenzlasten i.d.R. näherungsweise
mit den fiktiven Grenzlasten bei einer
gemessenen Pfahlkopfverdrehung von ca. ψ = 1°
übereinstimmen bzw. diese unterschätzt werden.
Eine Ausnahme stellt hierbei der Pfahl D3 dar. Da
der Pfahl D3 die größte Einbindetiefe aufweist, ist
zu folgern, dass die Steigerung der Bruchlasten
bei einer Vergrößerung der Einbindetiefe im Berechnungsmodell
nach Vogt etwas überschätzt
wird.
3 ZUSAMMENFASSENDE AUSWERTUNG
UND FOLGERUNGEN FÜR DIE BEMESSUNG
Um zu einer abschließenden Bewertung des gewählten
Sicherheitsniveaus zu gelangen und um
weitere Folgerungen im Hinblick auf die zukünftige
Bemessung von Schutzwandgründungen zu
ermöglichen, wurden die extrapolierten Verformungen
jeweils in Abhängigkeit des Verhältnisses
der nach Vogt (1988) berechneten statischen
Grenzlast Hg zu jeweiligen zyklischen Amplitude
ΔHzyk ausgewertet, siehe Bild 8. Die Berechnungen
wurden dabei unter Verwendung der für die
spätere Bemessung der Schutzwandgründungen
auf der sicheren Seite vorgegebenen Scherparameter
(Standort D: ϕ’ = 35°; c’ = 0 kN/m²; Standort
G: ϕ’ = 22,5°; c’ = 3 kN/m²) durchgeführt.
Pfahlkopfverdrehung Ψ [°]
η = H g,stat,bem./ΔH zyk
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.24
0.28
Probepfahl D1 - n = 10 Mio
Probepfahl D2 - n = 10 Mio
Probepfahl D4 - n = 10 Mio
Probepfahl G1 - n = 10 Mio
Probepfahl G2 - n = 10 Mio
Ausgleichsfunktion
Bild 8: Zusammenfassende Gegenüberstellung des Belastungsverhältnisses
zur auftretenden Pfahlverdrehung
Das Verhältnis zwischen rechnerischer Bemessungsbruchlast
zur tatsächlich auftretenden zyklisch/dynamischen
Belastung kann dabei als wirksame
Globalsicherheit η zur pauschalen
Abdeckung des zyklischen Tragverhaltens definiert
werden.
Unter Ansatz der Sicherheit von η = 4 konnte
eine wahrscheinliche mittlere Pfahlkopfverdrehung
von ca. ψ = 0,09° für den längerfristigen
Gebrauchszustand abgeleitet werden. Im betreffenden
Fall wurden diese zu erwartenden Verformungen
der hergestellten Schutzwandgründungen
innerhalb der gesamten Lebensdauer als zulässig
bewertet.
Allerdings ist festzustellen, dass seitens der
Deutschen Bahn bis dato keine allgemeinen Anforderungen
hinsichtlich der einzuhaltenden Verformungen
vorliegen und dass weiterhin ein erheblicher
Forschungsbedarf im Zusammenhang
mit der theoretischen Erfassung und Prognose des
Verformungsverhaltens von kurzen, starren Pfählen
unter zyklisch/dynamischen Belastungen besteht.
Dies und die vorhandenen Streuungen der
Ergebnisse sowie die Problematik der Übertragbarkeit
der Pfahlprobebelastungsergebnisse auf
andere bautechnische Randbedingungen sind bei
der Wahl eines vorläufigen Sicherheitsniveaus zu
berücksichtigen.
Für weitere Bemessungen von Schutzwandgründungen
wird vorläufig empfohlen, die in Bild
9 dargestellten vorsichtigen Sicherheiten ηp für
zyklisch/dynamische Belastungen in Abhängigkeit
von der Fahrgeschwindigkeit nicht zu unter-

schreiten (für näherungsweise ruhende Belastungen,
wie z.B. auf die Schutzwände einwirkende
Windlasten kann ηp,stat = 2 angesetzt werden).
ηp [-]
4.5
4
3.5
3
2.5
Grenzzustandsgleichung: mit Hg
z.B. Kempfert (1987) oder Vogt (1988)
Hstat ⋅ ηP,Stat + Hzykl ⋅ ηP,zykl ≤ Hg bzw.
Mstat ⋅ ηP,Stat + Mzykl ⋅ ηP,zykl ≤ Mg
für kleinere zulässige Pfahlverdrehungsanforderungen
für größere zulässige Pfahlverdrehungsanforderungen
2
100 200
Entwurfsgeschwindigkeit vE [km/h]
300
Bild 9: Vorschlag für ein vorläufiges globales Sicherheitsniveau
ηp bei zyklisch/dynamischen Belastungen
4 LITERATUR
DB AG: DS 804 – Anlage 28 Druck-Sog-Einwirkungen
auf Bauwerke in Gleisnähe - Aerodynamische Einwirkungen,
1996.
DB AG: Richtlinie 800.2001: Netzinfrastruktur Technik
entwerfen; Lärmschutzanlagen an Eisenbahnstrecken,
2000.
DIN-Fachbericht 101: Einwirkungen auf Brücken, 2003.
Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen
FGSV: Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen für
Bohrpfahlgründungen und Stahlpfosten von Lärmschutzwänden
an Straßen. Merkblatt Ausgabe 1997.
Hertle, R. / Näßl, A.: Aerodynamische Anregung von
Schutzwandkonstruktionen an schienengebundenen
Hochgeschwindigkeitsstrecken. Bauingenieur Band
80, S. 151 – 161, 2005.
Kempfert, H.-G.: Lärmschutzwände auf Pfählen. Tiefbau-Ingenieurbau-Straßenbau,
TIS Heft 2/1985.
Kempfert, H.-G.: Zum Trag- und Verformungsverhalten
von im Baugrund eingespannten, nahezu starren
Gründungskörpern bei ebener oder geneigter Geländeoberfläche.
Schriftenreihe des Fachgebietes Baugrund-Grundbau
der Universität Dortmund, Heft 1,
1987.
Kempfert, H.-G.: Dimensionierung kurzer, horizontal belasteter
Pfähle. Bauingenieur Band 64, S. 201 – 207,
1989.
Vogt, N.: Vorschlag für die Bemessung der Gründung
von Lärmschutzwänden. Geotechnik 11, Heft 4, Seite
210-214, 1988.